Следящий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение предназначено для использования в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Предложено устройство, содержащее последовательно соединенные операционный усилитель с преобразованием сигнала, интегратор, первый компаратор, отдельный вход которого соединен с общей шиной, инвертор, реверсивный счетчик, отдельный вход которого подключен непосредственно к выходу указанного компаратора, и цифроаналоговый преобразователь, а также включенные между выходом интегратора и отдельным входом реверсивного счетчика последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель и второй компаратор, у которого выход подключен к управляющему входу интегратора и второй вход подключен к источнику опорного напряжения. При этом вход предложенного преобразователя образован потенциальной входной шиной цифроаналогового преобразователя и потенциальной входной шиной указанного операционного усилителя с преобразованием сигнала. Предложенный следящий аналого-цифровой преобразователь характеризуется повышенной разрешающей способностью, более высокой виброустойчивостью, уменьшенными весом и габаритами. 2 ил.

Изобретение относится к следящим аналого-цифровым преобразователям и может быть использовано в измерительной технике, а также в автоматизированных системах управления технологическими процессами и в системах автоматизации научных исследований.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок сравнения, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, схему управления, отдельный вход которой соединен с выходом блока сравнения, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, подключенный выходом ко второму входу блока сравнения [1] Преобразуемый аналоговый сигнал поступает на один вход блока сравнения аналоговых величин. На второй вход блока сравнения поступает выходной сигнал цифроаналогового преобразователя (ЦАП), включенного в цепь обратной связи. По результатам сравнения этих двух сигналов блок сравнения вырабатывает сигнал управления, который поступает на вход реверсивного счетчика. Схема приходит в установившееся состояние, когда число в реверсивном счетчике соответствует преобразуемому аналоговому сигналу.

Недостатком этого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является низкая помехоустойчивость, невысокая разрешающая способность, недостаточная надежность при работе в длительных режимах. Низкая помехоустойчивость вызвана ложными срабатываниями блока сравнения при наличии на входе АЦП помехового сигнала, превышающего порог срабатывания блока сравнения, что приводит к случайному изменению числа, установленного в счетчике. Вместе с тем чувствительность блока сравнения низка, что является причиной недостаточной разрешающей способностью АЦП. Ненадежность при работе в длительном режиме проявляется в ошибках измерения из-за наличия температурных и временных дрейфов в схеме сравнения.

Известен следящий АЦП, содержащий два компаратора, инвертор, реверсивный счетчик, знаковый триггер, ЦАП и генератор тактовых импульсов [2] В этом следящем АЦП измерение величины входного сигнала также проводится путем сравнения его с опорным сигналом, поступающим с выхода ЦАП. В зависимости от полярности входного сигнала его сравнение с опорным происходит на соответствующем компараторе, подключением которых управляет знаковый триггер. Когда входной сигнал больше опорного напряжения с выхода ЦАП, реверсивный счетчик работает на сложение. Когда же величина напряжения с выхода ЦАП становится больше напряжения входного сигнала, счетчик начинает работать на вычитание. Таким образом значение опорного напряжения колеблется около значения входного напряжения. При этом достигнуто некоторое повышение помехоустойчивости в сравнении с вышеописанным АЦП [1] за счет применения знакового триггера, который увеличивает инерционность АЦП в момент изменения полярности сигнала под действием помехи, что приводит к уменьшению абсолютной ошибки на один младший разряд. Помехоустойчивость данного АЦП проявляется к помехам в виде одиночных импульсов с малой длительностью и с амплитудой, меньшей амплитуды измеряемого сигнала. Однако выделить полезный сигнал на фоне шума с амплитудой на уровне измеряемого сигнала с помощью данного технического решения невозможно. Увеличение помехоустойчивости за счет увеличения порога срабатывания триггера и компараторов может быть достигнуто только за счет уменьшения разрешающей способности АЦП. Такое техническое решение обладает невысокой надежностью при долговременной непрерывной работе, так как при этом появляются погрешности из-за временной и температурной нестабильности порогов срабатывания компараторов.

Известен наиболее близкий по совокупности общих признаков следящий АЦП, содержащий последовательно соединенные дифференциальный фотогальванометрический усилитель, интегратор, двухполупериодный выпрямитель, первый компаратор, вторым входом подключенный к источнику опорного напряжения, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к одному из входов фотогальванометрического усилителя, а также включенные между выходом интегратора и отдельным входом реверсивного счетчика последовательно соединенные второй компаратор и инвертор, при этом выход второго компаратора соединен с другим отдельным входом реверсивного счетчика.

Техническое решение прототипа обладает рядом недостатков, обусловленных использованием в АЦП фотогальванометрического усилителя: следящий АЦП имеет низкую надежность эксплуатации. Как все рамочные устройства, фотогальванометрические усилители очень чувствительны к механическим воздействиям и выходят из строя при резких встрясках, ударах и прочих эксплуатационных и транспортных воздействиях. Кроме того, рамки гальванометров путем скручивания обрывают подвески при резких изменениях измеряемого сигнала. Это вызывает большие сложности при исходной настройке АЦП и эксплуатации в условиях нестабильного сетевого напряжения, когда во входной цепи гальванометрического усилителя возникает пульсирующий ток постоянной или уменьшающейся частоты; следящий АЦП имеет низкую устойчивость относительно механических вибраций. Как правило вибрации корпусов (например, от вентиляторов охлаждения) приводят к ложным отклонениям рамки фотогальванометрического усилителя, вызывающих колебательные отклонения показаний всего АЦП в целом. Ситуация ухудшается при отклонениях установки оси гальванометра от вертикали; следящий АЦП обладает ограниченной разрешающей способностью и точностью, что обусловлено ограниченным коэффициентом усиления фотогальванометрического усилителя (не более 10) и структурой входных цепей следящего АЦП, построенного на основе этого усилителя. Входная цепь этого АЦП представляет собой последовательно соединенные ЦАП, рамку фотогальванометрического усилителя и источника измеряемого сигнала. При этом выходное сопротивление ЦАП близко к нулю, а сопротивление гальванометра не превышает 2-3 10 Ом. Следовательно входное сопротивление следящего АЦП не будет превышать 10 Ом. Это сопоставимо с внутренним сопротивлением источника измеряемого сигнала и может вызвать шунтирование его ЭДС, что приводит к снижению разрешающей способности и точности преобразования следящего АЦП.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание следящего аналого-цифрового преобразователя, обладающего в сравнении с известными АЦП повышенной точностью преобразования и разрешающей способностью, уменьшенной чувствительностью к вибрациям.

В соответствии с поставленной задачей в известный следящий аналого-цифровой преобразователь, содержащий последовательно соединенные интегратор, первый компаратор, отдельный вход которого соединен с общей шиной, инвертор, реверсивный счетчик, отдельный вход которого подключен непосредственно к выходу указанного компаратора, и цифроаналоговый преобразователь, а также включенные между выходом интегратора и отдельным входом реверсивного счетчика последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель и второй компаратор, выход у которого подключен к управляющему входу интегратора и второй вход подключен к источнику опорного напряжения, дополнительно введен операционный усилитель с преобразованием сигнала, подключенный ко входу интегратора, при этом вход следящего аналого-цифрового преобразователя образован потенциальной выходной шиной цифроаналогового преобразователя и потенциальной входной шиной указанного операционного усилителя с преобразованием сигнала.

Предложенная схема аналого-цифрового преобразователя, имеющего операционный усилитель с преобразованием сигнала, подключенный ко входу интегратора обеспечивает, в сочетании с образованием входа АЦП потенциальной выходной шиной ЦАП и потенциальной входной шиной операционного усилителя с преобразованием сигнала, повышение разрешающей способности и точности преобразования при одновременном повышении надежности и устойчивости к вибрациям. Повышение разрешающей способности достигается образованием входа АЦП встречно включенными выходной шиной ЦАП, источника сигнала (например, термопары) и потенциальной входной шиной ОУПС. Данное включение позволяет во-первых, осуществить вычитание сигналов без использования каких-либо элементов (следовательно, без погрешности вычитания), во-вторых, на входе ОУПС выделяется малое разностное напряжение, что позволяет использовать максимальное усиление в ОУПС (до 10⁸ раз) без опасности насыщения и, следовательно повысить разрешающую способность АЦП до предела, обусловленного шумами преобразуемого сигнала.

Повышение точности преобразования достигается за счет значительного повышения входного сопротивления устройства и, следовательно, уменьшения шунтирования ЭДС источника сигнала. Входное сопротивление устройства определяется, при встречном включении выхода ЦАП источника сигнала и входа ОУПС, в основном входным сопротивлением ОУПС, которое велико и может достигать 10⁷ Ом.

Предлагаемый следящий АЦП является более виброустойчивым, так как в предложенном составе в отличии от прототипа не содержит виброчувствительных элементов и блоков. Благодаря этому также увеличивается срок службы АЦП. Следствием предложенного решения является уменьшение веса и габаритов.

На фиг.1 показана блок-схема аналого-цифрового преобразователя в соответствии с изобретением; на фиг.2 один из вариантов структурной схемы операционного усилителя с преобразованием сигнала в соответствии с изобретением.

Следящий аналого-цифровой преобразователь содержит последовательно соединенные операционный усилитель 1 с преобразованием сигнала, интегратор 2, первый компаратор 3, вторым входом соединенным с общей шиной, инвертор 4, реверсивный счетчик 5 и цифроаналоговый преобразователь 6, а также включенные между выходом интегратора 2 и отдельным входом реверсивного счетчика 5 последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель 7 и второй компаратор 8 с источником 9 опорного напряжения, подключенным к его второму входу. При этом выход первого компаратора 3 соединен непосредственно с отдельным входом реверсивного счетчика 5, а выход второго компаратора 8 соединен с управляющим входом интегратора 2. Вход АЦП образован выходной потенциальной шиной ЦАП 6 и входной потенциальной шиной операционного усилителя 1 с преобразованием сигнала. При этом источник сигнала 10, например, термопара подключена к клеммам указанного входа АЦП, по полярности встречного полярности входных клемм. Операционный усилитель 1 с преобразованием сигнала может быть выполнен в виде, показанном на фиг.2 [4] и содержит соединенные входами каналы преобразования сигнала, один из которых включает последовательно соединенные фильтр 11, модулятор 12, усилитель 13 переменного тока, демодулятор 14 и фильтр 15, а также генератор 16 управляющих напряжений, подключенный к отдельным входам модулятора 12 и демодулятора 14, другой канал включает последовательно-параллельную RC-цепь 17, и операционный усилитель 18, подключенный к выходам RC-цепи 17 и фильтра 15.

Работа предлагаемого следящего аналого-цифрового преобразователя поясняется далее и, на примере выполнения операционного усилителя 1 с преобразованием сигнала, показанном на фиг.2. При включении следящего АЦП в его реверсивном 5 (фиг.1) счетчике устанавливается случайное состояние (число) в диапазоне от нуля до 2, где n число разрядов счетчика 5. Установленный в счетчике 5 случайный цифровой код преобразуется в ЦАП в напряжение, которое подается на входную клемму. Ввиду подключения источника сигнала 10, например термопары, противоположно по полярности к входным клеммам, на вход операционного усилителя 1 подается разностное напряжение между напряжениями ЦАП 6 и источника сигнала 10.

Фильтр 11 выделяет составляющую сигнала постоянного тока и низких частот, которая подвергается амплитудной модуляции модулятором 12. Переменная составляющая модулированного сигнала усиливается в усилителе 13 переменного тока и далее в демодуляторе 14 подвергается синхронной демодуляции. На выходе фильтра 15 восстанавливаются составляющие постоянного тока и низкочастотная входного сигнала усиленные в R раз усилителем 13, которые поступают на один вход операционного усилителя 18, на второй вход этого усилителя поступает высокочастотная составляющая входного сигнала, прошедшая последовательно-параллельную RC-цепь 17. Усилитель 18 суммирует указанные составляющие входного сигнала и на его выходе выделяется усиленное в R раз входное напряжение. При этом отсутствует дрейф усилителя, так как усиление сигнала осуществлено на переменном токе и фиксированной частоте, заданой генератором 16, ввиду заведомой малости входного сигнала коэффициент усиления может быть выбран значительным без опасности насыщения усилителя.

Усиленный сигнал поступает на вход интегратора 2, где начинается процесс интегрирования, скорость которого зависит от величины сигнала на входе интегратора 2, т.е. от разницы входного сигнала и сигнала ЦАП 6. При достижении напряжением, прошедшего с выхода интегратора 2 через двухполупериодный выпрямитель 7 на вход компаратора 8, порога срабатывания компаратора 8 на выходе последнего появляется импульс напряжения, который переводит интегратор 2 в нулевое состояние. Таким образом, интегратор 2, двухполупериодный выпрямитель 7, компаратор 8 и источник опорного напряжения 9 образуют преобразователь напряжения частоты следования импульсов, в котором двуполупериодный выпрямитель 7 обеспечивает сохранение работоспособности преобразователя при двухполярном входном сигнале. Импульсы с компаратора 8 поступают на вход реверсивного счетчика 5 и в зависимости от положения компаратора 3, определяемого полярностью сигнала на выходе интегратора 2, счетчик 5 работает в режиме сложения или вычитания.

Пусть входной сигнал больше сигнала ЦАП 6, тогда на входе операционного усилителя 1 с преобразованием сигнала (ОУПС) присутствует разностное напряжение отрицательной полярности, которое усиливается ОУПС 1 и поступает на вход интегратора 2. Начинается процесс интегрирования, в результате которого на выходе компаратора 8 появляются импульсы. На выходе компаратора 3 нулевой уровень, так как сигнал с интегратора 2 находится в отрицательной области, что приводит к появлению нулевого уровня на входе инвертора 4 и единичного потенциала на его выходе и, соответственно, на входе сложения реверсивного счетчика, что разрешает прохождение импульсов с компаратора 8 на вход суммирования счетчика 5. Таким образом, каждый импульс с компаратора 8 вызывает увеличение числа в счетчике на единицу, что приводит к увеличению сигнала на выходе ЦАП 6 и, соответственно, вызывает уменьшение разностного напряжения на входе ОУПС 1. Процесс повторяется до тех пор, пока сигнал с ЦАП 6 не совпадет с входным сигналом. Так как скорость интегрирования будет зависеть от величины разностного напряжения, усиленного ОУПС 1 и приложенного к входу интегратора 2, то частота импульсов на выходе компаратора 8 будет уменьшаться при уменьшении разностного напряжения.

Таким образом, при совпадении сигнала ЦАП 6 с входным сигналом, разностное напряжение на входе ОУПС 1 равно нулю, следовательно, отсутствует напряжение на входе интегратора 2 и, соответственно, отсутствует импульс на выходе компаратора 8. Устройство находится в устойчивом состоянии, при котором код, записанный в реверсивном счетчике, соответствует приложенному на вход АЦП сигналу. При уменьшении входного сигнала разностный сигнал на входе ОУПС 1 становится положительным, начинается процесс интегрирования; на выходе компаратора 8 появляются импульсы, на выходе компаратора 3, за счет интегрирования в области положительных напряжений появляется единичный уровень, что вызывает прохождение импульсов на вход вычитания реверсивного счетчика, т.е. осуществляется следящее преобразование входного сигнала.

Следует отметить, что устройство стремится свести разностное на входе ОУПС 1 к нулю. Следовательно, коэффициент усиления ОУПС 1 может быть максимально достижимым и ограничивается только шумовыми (флуктуационными) параметрами входного сигнала и самого ОУПС, что в свою очередь, повышает разрешающую способность АЦП практически до уровня шумов входного сигнала.

Формула изобретения

СЛЕДЯЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ содержащий последовательно соединенные усилитель, интегратор, выход которого соединен с первым входами двухполупериодного выпрямителя и первого компаратора, второй вход которого является шиной нулевого потенциала, а выход соединен с первым управляющим входом реверсивного счетчика и входом инвертора, выход которого соединен с вторым управляющим входом реверсивного счетчика, счетный вход которого объединен с управляющим входом интегратора и подключен к выходу второго компаратора, первый вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а второй вход с выходом двухполупериодного выпрямителя, при этом выходы реверсивного счетчика соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, отличающийся тем, что усилитель выполнен на операционном усилителе с преобразованием сигнала, потенциальный вход которого соединен с потенциальным выходом цифроаналогового преобразователя и является входной шиной.

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 12-2002

Извещение опубликовано: 27.04.2002        

---